通过配位竞争抑制溶剂加合物实现可扩展的钙钛矿光伏器件

为什么更好的太阳能薄膜很重要

钙钛矿太阳能电池是有望比现有硅基电池更便宜、更高效的有力竞争者之一。但尽管研究人员可以在实验室里制备小尺寸、屡创新高的器件，将相同材料放大到工厂规模的大型太阳能组件却困难得多。本研究针对放大钙钛矿薄膜时的一个隐蔽瓶颈提出了解决思路，给出了一种基于化学的修正方法，使得大面积刮涂模块的效率达到实际部署所需的水平。

从旋涂小滴到工厂刮涂

目前多数高性能钙钛矿电池使用旋涂法制备——通过高速旋转将溶液摊开在小片基板上。该方法使溶剂迅速甩脱，然后加入一种“反溶剂”以触发快速、可控的晶体生长。然而工业方法必须用像移动刮刀这类简单工具在大玻璃板上涂布，依赖较慢的溶剂蒸发而非快速离心。作者展示了这种流体行为的差异会导致截然不同的晶体生长，因此为旋涂精细调配的配方并不能自动适用于可扩展的刮涂工艺。

湿膜中的隐形时钟

团队识别出一个关键但此前被忽视的变量：溶剂分子在湿膜中与钙钛矿前驱体紧密结合的时间，他们称之为溶剂—前体相互作用时间。在刮涂薄膜中，更慢的干燥使溶剂长时间强烈附着，形成顽固的“溶剂加合物”相并将残余物困在薄膜内。X 射线测量和化学分析表明，这些富溶剂的中间相在刮涂层中比在旋涂层中更为明显，结果是晶体有序性更差和电子缺陷更多——这两点都对太阳能电池性能不利。

让正确的分子胜出

研究者没有通过更苛刻的工艺来强行排除溶剂，而是设计了一种微妙的分子竞争策略。他们在钙钛矿“墨水”中引入了一种带有两个羟基（OH）基团的小分子，简称2OH。该分子被设计为比常用处理溶剂N‑甲基‑2‑吡咯烷酮（NMP）更强烈地与铅离子配位。红外光谱、X 射线吸收和衍射等一系列技术表明，2OH能在铅位点上成功胜出，削弱溶剂—铅的结合，从而把体系导向更多可自由蒸发的游离溶剂。同时，2OH还帮助组织钙钛矿的有机组分，引导其进入期望的晶相。

更干净的薄膜，更大的器件

为检验这种配位竞争如何转化为实际器件性能，作者比较了不含、含一个或含两个OH基团的添加剂。随着OH基数的增加，薄膜中残余溶剂减少，铅—溶剂键减弱，钙钛矿晶体变得更有序、缺陷更少。使用2OH添加剂制备的小尺寸测试电池达到26.5%的光电转换效率，电压和填充因子都有明显提升。更关键的是，这一策略可放大：刮涂的20.8平方厘米小型模块达到22.9%效率，一个728.0平方厘米的预试点子模块经认证为22.58%，使刮涂制备的钙钛矿进入了此前仅由更精细实验方法才能达到的性能等级。

更高功率，更长寿命

更好的晶体不仅提升效率，也改善稳定性。使用2OH的器件在接近1000小时连续照射后仍保持92%的初始性能，而对照器件为80%。电学成像进一步显示，含添加剂的大面积模块具有更均匀的光致发光和更少的“热点”，这是减少旁路短路和缺陷的迹象。电荷传输与复合测量也证实，薄膜通过非理想途径损失的能量更少，这有助于解释电压和耐久性的改善。

实现可扩展钙钛矿的实用路径

对非专业读者而言，结论是作者发现了一个简单的化学“旋钮”，让制造者能够调控溶剂在大面积涂布时与成核钙钛矿晶体的滞留时间。通过加入一种将化学平衡从粘性的溶剂复合物向清洁、有序晶体推动的分子，他们在工业友好的刮涂工艺下实现了高效率和高稳定性。这一方法为大规模生产既高效又可制造的钙钛矿太阳能面板提供了现实可行的路径。

引用: Jin, L., Zhang, S., Zhou, J. et al. Suppressing solvent adducts via coordination competition enables scalable perovskite photovoltaics. Nat Commun 17, 1737 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68439-8

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 刮涂涂布, 薄膜光伏, 晶体生长控制, 太阳能组件放大